基于气动系统的受电弓主动控制试验装置的研究.pdf

Hy d r a u l i c s Pn e u ma t i c s S e a l O ． 1 0 ． 2 0 1 3 基于气动系统的受电弓主动控制试验装置的研究 蔡 华 ， 吴 向东 ， 刘 刚， 李 谦 西南交通大学 机械工程学院， 四川 成都6 1 0 0 3 1 摘 要 为改善 弓网动态特性 ， 使受 电弓对 于接 触网具有 良好 的跟 随性 ， 减少离线 和拉 弧 ， 保证 弓网受 流质量 ， 该文提 出了一种基 于气 动系统的 旨在实现弓网 良好接触的控制方案。 以受 电弓抬升气压 为控 制 目标 的思路下 ， 设计 开发了以气动系统为主动执行器的主动控 制 系统 ． 并 以最新 的国产试验性 高速列车受 电弓 V 5 0 0为对象进行 了试验 。试验结果表 明引用气 动系统主动控制技术后 ， 弓头和接触 线 的接触压力达到设 计要求 ． 且具有 良好 的跟随性 。 基 本达到试 验要求 。 关键词 受 电弓 主动控制 弓网接触压力 ； 气动系统 中图分类号 T H1 3 7 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 3 1 0 0 0 O 5 0 4 Ke s e a r c h o f Pa n t o g r a p h Ac t i v e Co n t r o l Te s t i ng Ap p a r a t u s Ba s e d o n P ne u ma t i c S y s t e m C A I Hu a ， X i a n g - d o n g ， L I U G a n g ， L I Q i an S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， S o u t h w e s t J i a o t o n g U n i v e r s i t y ， C h e n g d u 6 1 0 0 3 1 ， C h i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o t o i mp r o v e t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e p a n t o g r a p h ／ c a t e n a r y s y s t e m， ma k e t h e p a n t o g r a p h h a s g o o d t r a c e a b i l i t y f o r c a t e n a r y ， d e c r e a s e t h e a r c h n e t wo r k a re a n d o f fl i n e ， an d g u a r a n t e e t h e c o l l e c t i o n q u a l i t y o f p an t o g r a p h c a t e n a r y ， t h i s p a p e r p rop o s e a c o n t r o l s c h e me b a s e d o n p n e u ma t i c s y s t e m a i me d a t a c h i e v i n g a g o o d c o n t a c t b e t w e e n p a n t o gra p h a n d c a t e n a r y ． W e d e v e l o p e d a a c t i v e c o n t r o l s y s t e m， w h i c h ma d e p n e u ma t i c s y s t e m a s a c t i v e a c t u a t o r s a n d h a d b e e n t e s t e d i n V5 0 0 ． T h e r e s u l t s h o ws t h a t t h e p r e s s u r e b e t we e n p a n t o gra p h a n d c a t e n a r y c o mp l i e s wi t h t h e d e s i g n r e q u i reme n t s a f t e r p n e u ma t i c s y s t e m wa s a p p l i e d o n t h e s y s t e m． Ke y wo r d s p a n t o gra p h； a c t i v e c o n t r o l ； t h e p r e s s u r e b e t w e e n p a n t o gra p h a n d c a t e n a r y ； p n e u ma t i c s y s t e m 0 引言 弓网稳定受流是高速列车安全 、稳定 运行需要解 决 的关键技术之一 过去的几十年已经有很多学者在 这方面做 了很多的研究 。 他们主要集 中在 日本和欧洲 。 理论上 ， 解决弓网受流的最好方法有两种 1 增加接触线的张力 ， 从而提高接触线的接触刚度； 2 增加弓头与接触线之间的接触力。 然而 ， 这两种方法都存在着巨大 的缺陷。例如 ， 增 加接触线张力 ， 将会极大增加建设资金投入 。而增加 弓 头与接触线 。 将会加快接触线和弓头的磨损 。因此这两 种方法都不可取 为了提高弓网系统 的动态性能 ．并 降低费用及消 耗 ．学者们提 出了受 电弓的半 主动控制和主动控制两 种控制方法 。但是半 主动控制系统较为复杂 ， 目前 ， 研 究和应用最多的是主动控制系统 。 基金项 目 国家 9 7 3计 划项 目 2 0 0 7 C B 7 1 4 7 0 0 ； “ 十一五” 国家科技支 撑 计划 2 0 0 9 B A G1 2 A 0 5 收稿 日期 2 0 1 3 0 3 1 1 作者简介 蔡华 1 9 8 6 - ， 男 ， 湖北黄冈人 ， 在读硕士研究生 ， 研究方向为机电 液一体化系统控制与仿真 。 1 受 电弓主动控制系统总体设计 主动控制 系统是指受 电 弓完全放 弃被 动悬 挂系 统 ．系统功能实现和动态特性 的改进全部 由主动执行 器来实现 根据主动悬挂系统在受电弓上安装位置的 不同 ． 可 以将它们分为两类 。 1 主动悬挂 弓头 ， 升 弓由被动执行器 弹簧或者 气缸 实现 ． 主动控制直接在弓头之下实现 ； 2 主动框 架 ， 弓头 下面是被动悬挂系统 ， 主动控 制执行器放置在列车顶部 ．用来升 弓和改善受 电弓的 动 态特 性 这两种主动控制受电弓用简图表示为图 1 。 挂 器 悬挂 器 图 1 两 种 主 动 控 制 受 电 弓 到 目前为止 ， 学者们使用过 的执行器主要有两种 ， 即电机执行器和液压执行器。意大利 的 A ． C o l l i n a在 弓 头的旋转关节处放置直流电机来实现主动控制。而大 多数研究人员 如 B e n e d e t t 0 A l l o t a lJ 将研究重点集 中 在液压执行器上。这种执行器有液压缸、 液压执行阀和 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 0 1 3年 第1 0期 液压马达以及 电气信号实现 ．液压缸放在列车顶部与 受电弓链接作为升弓源力和主动控制执行器。除以上 的主动控制方案以外 ．我国张卫华教授等将液压执行 器放置于下框架与上框架之间 ．采用模糊控制算法也 实 现 了受 电 弓 的主动 控 制 该 方法 的缺 点 同样 是增 加 了受 电弓框 架 的惯 性质 量 本文 中的主动控制 执行器采用气压伺服系统 ． 并 且将气路板固定放置在列车顶部 ．与受 电弓气缸直接 相连 ，控制气路输人压力 ．从而实现弓头作用力的控 制。采用上述的方案是因为 1 对 弓头直接控制会增加 弓头质量 ， 从而弓头惯 性增大， 不利于理想控制性能的实现 2 与气动系统相 比。 电机执行器和液压执行器有 很 多无 法 避 免 的 缺点 ， 如 液 压油 的污 染 ， 动 态 性 能 差 ， 价格昂贵等 受电弓主动控制系统的基本框图如图 2所示 图 2受 电 弓 主 动控 制 系统 原 理 图 如 图 2所 示 ．整 个 主 动控 制受 电弓系 统 可 以分 为 三个部分。第一个部分为控制系统部分 ． 第二个部分为 气压伺服系统 ， 第三个部分为受电弓部分。 主动受电弓控制系统主要是对受电弓与接触 网之 间的接触压力进行测量 ．判断受电弓与接触 网之间接 触是否正常 。如果接触压力小于允许 阈值的最低 限， 那 么该控制系统将控制主动受 电弓加大接触压力 ， 反之 ， 将减小接触压力 。从而使受电弓与接触网之间的接触 压力始终保持在正常要求的阈值范围内 而 弓网接触 6 压力 的调节是通过气动系统实现的 本文主要偏重的是气压伺服系统部分 的设计和试 验 ． 验证气动系统的稳定性和跟随性 。 2 气动系统 的设计 和试验 2 ． 1 气 动 系统 设计 气压伺服系统 的主要功能是通过改变气路出 口压 力 ． 实现 弓头作用力的变化。伺服系统不仅要满足受 电 弓的功能性要求 ． 与控制系统还需具有 良好 的跟随性 ， 这也 是气 压伺服系统能否应用 到实际线路上 的重要 考量指标 如图 3所示 ． 为 V 5 0 0高速列车受电弓专 门 设计的气动系统原理图 1 一 气 源2 ， 1 4 ， 1 5 一 截止 阀3 一 过滤器4 一 电磁换向阀5 、 6 一 升降弓速度 控制阀7 一 比例减压 阀8 、 l O 一 压力传感器9 一 外控式精密调压 阀 1 1 - 气囊1 2 一 快速降 弓阀1 3 一弓头1 6 一 压力继电器 图 3 采用气控先导式减压 阀和 小规格 比例阀气动 系统原理图 该套气动系统采用一个比例减压阀和一个外控式 精密调压阀． 外控式精密调压阀如图 4所示 ． 通过两种 方式来调节减压阀出E l 压力 ．一种是手动调节减压阀 的弹簧初始压缩量 ．另一种是通过外部控制气压来控 制减压 阀的出口气压 ．而这套系统就是同时采用手动 和外控来达到控制 目的 首先按列车运行时需要 的最 低气压手动调节减压阀的弹簧压缩量 ．使减压阀出口 气压为最低工作气压 ， 即保证受电弓和接触 网接触 ， 再 刚 建 I通路 A＼ }泄孔 B ～ 丌_ UP 1 1 一 锁紧螺母2 一 调零螺钉3 一 挡板4 一 喷嘴5 一阀杆 6 一 主阀芯7 一 溢流 阀芯8 一 固定节流孔 图 4外控精密调压 阀 I R 2 1 2 0 控制原 理图 Hv dr a u l i c s Pne u ma t i c s S e a l s ／ No． 1 0． 2 01 3 通过比例减压阀来控制 出口气压 ．如果压力传感器 1 0 检 测 到气 囊 气 压低 于设 置 的压 力 ．比例 减 压 阀给 外 控 式精密减压 阀控制气压 ， 使其出口压力上升。当传感器 1 0的反馈压力与预设值相等时 ．比例减压 阀维持 自身 出口压力不变 。如果传感器 l 0的反馈压力高于预设值 时． 比例减压阀降低 自身出口压力 ， 使之相等。 一 旦 自动控制 系统故障 ．比例减压 阀不能正常工 作时 ． 由于外控式精密减压 阀有最低 出E I 压力 ． 仍能保 证 弓头安全工作 实 物 图如 图 5所 示 2 ． 2受 电 弓主动 控制 系统 试验 弓网模拟部分 在本试验 台中， 用不同刚度的弹簧 来模拟 弓网系统 ．根据实际线路提供的接触 网刚度数 据 ． 分别采用了 k 2 7 0 0 N ／ m． k 5 0 0 0 N ／ m 两种 刚度 的弹 簧来模拟接触网． 如图 6所示 。 图 5气动 系统 实物 图 图 6弓头弹簧模拟 弓网 现场试验过程 受电弓主动控制系统的现场调试 是在西南交通大学牵引国家实验室进行的 采用的是 自主研发的 V 5 0 0受 电弓 ．该型受 电弓配备阻尼器和 A D D 自动降 弓装置 主动控制系统就是通过对气囊 内 压力的控制来实现对弓网接触压力的调节 现场实验采用 WA V E B 0 0 K数采系统对数据进行 采集。该数据采集系统共有 8个采集通道 ， 分别采集气 压控制信号 通道 1 ； 气压反馈信号 通道 2 ； 机车速度 信号 通道 3 ； 比例调压 阀的反馈信号 通道 4 ； 气阀板 进气 口压力信号 通道 5 ； 弓头作用力 通道 6 ； 弓头拉 线位移信号 通道 7 ； 弓头加速度信号 通道 8 。 实验开始时 ． 有控制系统输出具体指令 。 然后采集 并观察实验结果 ． 本实验过程中 ． 控制信号是 弓头作用 力 ， 即弓网接触压力 。下面是在不同控制信号下 ． 弓头 作用力和气压反馈 随时间 t 的变化 2 ． 3试验 结 果及 分析 实验结果见图 7 ～ 图 1 2 ．图 7和图 1 O均是系统 的 控制信号 ， 分别是正弦信号和阶跃信号 。 图 8 、 图 9分别 为控制信号为正弦时系统 出 口压力 和弓网接触压力 ． 图 1 1 、 图 1 2分别为控制信号为阶跃信号时系统 出口压 力和 弓网接触压力 高 善 1 2 3 4 5 6 t ／ s 图 7正 弦控制信号 图 8气动系统出口压 力 44 0 4 3 0 4 2 0 4 1 0 4O O 9 1 0 50 歪 9 0 8 5 1 ．0 2 ．03 0405 0 6 07 ． 0 t ／ s 图 9弓网接触压力 3 ．4 0 3 3 O 皇 3 ． 2 0 舂 3 1 0 3 0 0 2 9 O 1 3 5 7 91 1 1 3 1 5 1 7l 9 t ／ s 高 t ／ s 图 1 0阶 跃 控 制信 号 专 9 0 8 0 7 0 6 O 5 0 9 图 1 1 气 动 系统 出 口压 力 图 1 2弓 网接 触 压 力 分析 以上 曲线 可 得 以下结 论 1 在控制信号为正 弦信号时 。 系统出 E l 压力相 比 控制信号延迟 0 ． 1 s ．弓网接触压力相 比控制信号延迟 0 ． 2 s ， 基本满足系统设计要求 2 在控制信号为阶跃信号下 ， 系统出 口压力相 比 控制信号延迟 0 ． 1 s ． 弓网接触压力达到预定 的压力约需 要 1 ． 5 s ， 基本满足设计要求 3 在控制信号分别 为正弦信号和阶跃信号下 ． 系 统 出 口压力 曲线 和弓网接触压力 曲线和控 制信号相 比， 都具有很好的跟随性 4 在控制信号分别 为正弦信号和阶跃信号下 ． 系 统出 口压力延迟时间基本不变 ． 可以得 出． 气动 系统具 有 良好的跟随性 ．不论是在变化较小的正弦信号还是 变化急剧 的阶跃信号 ．气动系统都能快速通过 出口压 力反应 出来 5 在控制信号分别为正弦信号和阶跃信号下 ． 弓 网接触压力延迟时间不同． 阶跃信号下 ， 弓网压力达到 预定压力所需时间较长 ． 这是因为在 阶跃信号下 ． 弓网 理想压力突变 ． 系统需克服较大的受电弓框架惯性 。而 正弦信号压力变化较为缓慢 ． 需克服的惯性小 。 所 以正 弦信号下 ． 弓网接触压力延迟时间短 ， 在实际列车线路 上 ． 由于弓网接触压力突变的情况较少发生 ． 因此设定 控制信号为正弦更具有现实意义 7 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 0 l 3年 第 1 0期 3 结 论 1 在高速列车受电弓应用主动控制系统前提下 ， 提出应用气动系统作为主动执行器的控制策略 ．根据 控制信号 即理想 弓网接触压力 的变化 ．实现气动系统 出 口压力和弓网实际接触压力的主动控制 2 试验结果表 明， 采用气动系统作为受 电弓主动 执行器后 。 弓网接触压力能及时跟随控制信号的变化 。 较好达到设计要求 3 通过试验表 明， 受 电弓 自身框架对弓网接触压 力的变化有明显的影响 ．想要进一步提高弓网接触压 力跟随性 ， 需减小受电弓本身惯性 ， 这也是我们下一步 的主要研究内容一优化受 电弓框架结构 参考 文 献 【 1 】 Mi t s u r u I K E D A ， Ma s a h i r o S U Z U K I ， K a z u s h i g e Y O S H I D A ， - - - - - - - - - 一 一 一 - - -4 - - - - - - * - * * ’ I 上接 第 4页 r e i b u n g s a r me n S y s t e me n滚动轴承作为提高效率 的关键 元件通过产 品创新 和计算工具实现低摩擦 系统 ． D r ． C l a u s MU l l e r ． S c h a e ffie r T e c h n o l o g i e s 股份公司 8 P r ii z i s e g e o me t r i s c h e Ma s c h i n e n a u s r i c h t u n g d e r S c h l u s s e l Z U E n e r g i e e f fi z i e n z u n d K o s t e n e r s p a r n i s精 确 的形 状加 工提 高 能效 与 降低成 本 的关 键 因素 ． C h ri s t i a n M．Re i d l e r ， P Ru F T EC HNI K Al i g n me n S y s t e ms 公 司。 4 I n d u s t r y 4 ．0第四次工业革命 在 一些欧 美 国家也被 称为“ I n t e g r a t e d I n d u s t r y ” 集 成化 工业 在德国是如此划定工业革命的 第一次 ， 机械化 ； 第二次， 流水线大规模生产 ； 第三次 ， 电控 自动化 。而第 四 次工 业 革 命 的 目标 则 是 智 能工 厂 I n t e l l i g e n t e F a b r i k S m a r t F a c t o r y 。最早是在 2 0 1 1年汉诺威博览会上提 出来的 作为德 国联邦政府今后提升传统制造工业的 战略发展方向． 1 1 2页的实施建议由项 目预研究小组在 2 0 1 2年 1 0月 2 13提交给德国联邦此项 目牵头 的教育 科研部 B MB F 、 经济部 B MWi 和内政部 B MI 。 背景是今后 制造业将 面临 的形 势紧缺 的资 源 、 员 工年 龄结 构改 变 、 能 源转 变 、 全 球化 。 技术基础 互联网和空间分布系统。 特点 灵活易变 、 高资源效率 、 考虑人类工程学、 以 及使顾客与业务伙伴最紧密结合。 变革大致在 以下几个方面 4 ． 1 生产 工艺与 信 息技术 联姻 生产工艺与信息技术更紧密地结合在一起 。 8 A p p l i c a t i o n o f J e t E j e c t i o n t o C o n t r o l C o n t a c t F o r c e o f P a n t o g r a p h f o r H i g h s p e e d T r a i n s [ J 1 ． Q R o f R T R I ， 2 0 0 8 ， 3 ． 【 2 】 A l e s s a n d r o P I S A N O ， E l i o U S A I ， C o n t a c t F o r c e E s t i m a t i o n a n d Re g u l a t i o n i n A c t i v e P a n t o g r a p h s a n Al g e b r a i c Ob s e r v a b i l i t y A p p r o a c h [ R ] ． L o s A n g e l e s P r o c e e d i n g s o f t h e 4 6 t h I E E E C o n f e r e n c e o n De c i s i o n a n d Co n t r o 1 ． 2 0 0 7 ． 『 3 1 吴学杰 ， 张卫华 ， 等． 接触网一 受电 弓振动主动控 制问题 的研 究【 J 】 ． 振动工程学报 ， 2 0 0 2 ， 1 3 6 4 0 ． 『 4 ] 郭京 波， 黄振辉， 杨绍普． 高速铁路 弓网系统振 动主动控制研 究[ J ] ． 石家庄铁道学院学报， 2 0 0 3 ， 4 2 6 2 9 ． 【 5 ] 罗仁 ， 曾京． 摆式列车受 电弓垂向振动 主动f O J [ J ] ． 交通运输 工程学报， 2 0 0 6 ， 2 1 1 1 - 1 6 ． 『 6 1 刘 红娇． 受 电弓机 构几何参数优 化与主动控 制的研究『 D 1 ． 成 都 西南交通大学 ， 2 o 0 2 ． 『 7 1 吴燕。 吴俊勇， 郑积浩． 高 速弓网系统动态振 动性能 的仿真研 究[ J ] ． 铁道学报， 2 0 0 9 ， 5 1 1 3 1 1 7 ． 力士乐公司推 出了开放核心 ．即工程师可以用各 种高级编程语言 ． 通过各种编程工具 ． 从各类硬件的各 种 操作 系 统 出发 ．调 用 核心 的控 制 功能 。完成 各种 应 用 。演示模型是一个平板 电脑 ，通过无线 网络 W L A N 。 控制一个六 自由度 的平台 。 随平板电脑摆动。 4 ． 2 产 品个性 化 在高度灵活生产的基础上迎合产品个性化 ． 面向批 产量 1 也就是每批只有 1 件 ． 完全个性化定制， 但是价 格同大批量生产 。 降低集中控制度， 增加生产设备的自 主控制。各生产设备通过互联网的形式联接。 让产品控 制工厂 已经在 K a i s e r l a u t e r n市建立了一个示范工厂。 4 ． 3生产人 性化 分散生产 ． 可以分散能量供应 。充分利用现代通讯 手段 ， 员工可以就近 ． 甚至在家里上班 。他们 问道， 如果 大量员工每天长途开车上班 ．那在厂里花很大力气节 能减排 ． 又 有多 大实 际意义 呢 I n d U S t r v 4 ． O在这次的汉诺威博览会上也被广泛地 讨论了。 较普遍的意见是 ． I n d u s t ry 4 ． 0不会是一个从今 天到明天突变 ． 一下子抛弃全部 已有设备的革命 ． 而是 一 个渐进的过程 。前几次工业革命中， 每个 阶段也都延 续几十年。因为 。 在进行实质性 的工程技术改造前 ， 首 先需 要 的是 ． 在 参与 者 的脑 子里 发生 改变 。将来 第一 位 要做的是 ． 跨技术领域的思考。我们最终要赢得 的是我 们的商业伙伴和员工。如果做不到这点的话 ． 所有闭门 思考 出来的方案都是没有用的。 参考文 献 [ 1 ] M． S c ． D ． D i e f e l e t a 1 ．Ha n n o v e r M e s s e I n d u s t r i e 2 0 1 3 [ J ] ， O P ， 2 0 1 3 ， f 7 8 1 6 1 9 ．